薛建陽，戚亮杰，羅 崢，高 亮

(西安建筑科技大學土木工程學院，陜西 西安 710055)

框架-填充墻結構是目前我國應用最為廣泛的結構形式之一．在承受地震等水平作用時，填充墻與框架之間相互影響，框架對填充墻變形具有約束作用，當框架結構受到地震力效應時，填充墻與框架共同起到抵抗外力的作用．但是在進行該種結構的抗震設計中，填充墻部分常被視為“非結構”構件，在結構設計時通常僅通過對純框架部分的基本周期進行折減來考慮填充墻部分對整個結構剛度的影響，也就是說，目前對該種結構的設計在本質上仍是按純框架進行的．

目前關于型鋼再生混凝土框架-填充墻結構的研究尚不多見，且大多數研究主要只針對于型鋼再生混凝土梁柱的研究[1-3]，而對結構整體層面的研究尚未深入開展．實現其基于性能抗震設計理論的核心問題即是確定這種結構在各個不同性能水平下的容許變形值，結構性能水平可以用這些主要的參數來劃分，但目前對此方面的研究還比較欠缺，在上述的研究意義和研究背景下，筆者通過2榀1/2.5比例單層單跨型鋼再生混凝土框架-填充墻試件的擬靜力加載試驗，研究此種結構功能失效的判別參數和容許變形值大?。?/p>

1 試驗概述

1.1 試件設計及參數

試驗模型為兩榀按1:2.5縮尺的單層單跨型鋼再生混凝土平面框架，具體參數見表1．框架層高1440 mm，跨度2280 mm．框架梁截面為b×h=150 mm×240 mm，其中縱筋采用14帶肋鋼筋，箍筋采用?6光圓鋼筋，在梁端500 mm加密區(qū)布置形式為?6@40，其余非加密區(qū)布置形式為?6@80；框架柱截面尺寸為b×h=180 mm×240 mm，配鋼率為4.98%，采用Q235B級14號薄壁工字鋼；配筋率為1.43%，縱向鋼筋和箍筋分別采用14鋼筋與?8帶肋鋼筋，在節(jié)點核心區(qū)以及柱端450 mm加密區(qū)范圍內布置為?8@50，非加密區(qū)布置為?8@100；實測28 d再生混凝土立方體試塊的抗壓強度平均值為52.02 MPa．試件的幾何尺寸及構件的配筋、配鋼形式如圖1所示，試驗所用混凝土為100%再生骨料取代率的再生混凝土．

表1 試件參數Tab.1 Parameter of specimens

圖1 試件幾何尺寸與梁柱截面形式Fig.1 Geometry and form of column-beam

1.2 試驗加載方案

本試驗在西安建筑科技大學結構工程抗震試驗室進行，加載裝置如圖2所示．

圖2 加載裝置Fig.2 Test setup

試驗時采用力-位移混合控制加載制度，首先在兩個框架柱的柱頂施加豎向荷載，然后在梁端分級施加水平荷載．在試件屈服前按力加載，每級增加30kN；試件屈服后按位移控制，每級增加的位移為屈服位移的倍數．最后，當荷載下降到極限荷載的85%以下，加載結束．在框架梁端、柱端的縱筋、箍筋及型鋼翼緣上布置應變片，節(jié)點核心區(qū)型鋼腹板上布置應變花，以測量相應位置處型鋼及鋼筋應變值；在基礎梁端、框架梁端設置電子位移計，用以量測相應位置變形．

2 結構性能水平及抗震性能目標

2.1 四個性能水平及其極限狀態(tài)

我國抗震規(guī)范將結構性能分為不受損壞繼續(xù)使用、可能損壞但經一般修理或不需修理仍可使用、不發(fā)生危及生命及不倒塌的嚴重破壞，即“小震不壞、中震可修、大震不倒”3個性能水平；美國FEMA356規(guī)范將主體結構性能分為正常運行、立即使用、生命安全和防止倒塌4個水平；美國加州工程師學會基于性能抗震設計的4個性能水平為充分運行、正常運行、生命安全和接近倒塌．

本文按照我國抗震設計的需要和建筑損傷的程度，對型鋼再生混凝土結構采用正常使用、暫時使用、生命安全和接近倒塌四個性能水平[4]．

2.2 性能目標

我國抗震規(guī)范規(guī)定：結構的性能不能低于“小震不壞、中震可修、大震不倒”的基本抗震設防目標，同時規(guī)范還給出“性能1～性能4”的四種性能目標供結構構件抗震性能設計時選擇應用．本文按照四個性能水平和三個設防水準，根據型鋼再生混凝土框架-填充墻結構實際可能出現的情況和抗震級別的高低性，建立了4個抗震性能目標，如表2所示．

表2 抗震性能目標Tab.2 Seismic performance objectives

3 型鋼再生混凝土柱的性能指標量化

由上述試驗結果可知，型鋼再生混凝土框架的變形能力主要取決于型鋼再生混凝土柱的變形能力，因此，本文首先給出型鋼再生混凝土柱在不同性能水平時的變形容許值，在此基礎上進一步研究型鋼再生混凝土框架的性能指標．

3.1 型鋼再生混凝土柱的破壞形態(tài)

課題組前期的試驗結果表明[5]，低周反復荷載作用下型鋼再生混凝土柱有三種破壞形態(tài)，分別為剪切斜壓破壞、彎剪破壞和彎曲破壞．

小剪跨比（λ=1.40＜1.50，即短柱）試件發(fā)生剪切斜壓破壞．首先試件中部再生混凝土出現斜裂縫，當反復水平荷載增加至一定數值時，在試件中部位置出現較為明顯的交叉斜裂縫，且隨著水平荷載的增加，交叉斜裂縫逐漸增多，與此同時，柱根處也相應地出現水平彎曲裂縫，進入屈服狀態(tài)以后，試件中部再生混凝土逐漸被交叉主斜裂縫分割為若干個斜向棱柱體；箍筋外圍再生混凝土首先被壓碎脫落，而后逐漸向柱核心部位延伸擴展，直至斜向棱柱體被壓碎脫落，試件破壞．

剪跨比λ=1.85（1.5≤λ≤2）的試件發(fā)生彎剪破壞．首先水平彎曲裂縫出現在試件柱根處，隨后，水平彎曲裂縫由于受到型鋼翼緣約束作用而逐漸發(fā)展為斜裂縫；當試件達到屈服后，斜裂縫的發(fā)展速度較水平彎曲裂縫慢，水平裂縫長度不斷延伸且變寬；隨著加載的進一步進行，型鋼翼緣外側再生混凝土開始壓碎剝落，且逐漸向柱中部擴散，最后型鋼翼緣壓屈外鼓，試件喪失承載力而發(fā)生破壞．

當剪跨比較大時，型鋼再生混凝土柱發(fā)生彎曲破壞形態(tài)．首先在試件的柱根處出現水平彎曲裂縫，隨著加載的繼續(xù)，沿試件高度出現少許斜裂縫，其發(fā)展較為緩慢，而水平彎曲裂縫則陸續(xù)增多，且原有水平彎曲裂縫逐漸延伸擴展；隨著荷載的增大，原有水平彎曲裂縫延伸擴展迅速，水平彎曲裂縫最終相互貫通，柱根處混凝土被壓碎剝落；在位移加載循環(huán)作用下，再生混凝土大量脫落，型鋼壓屈，箍筋外鼓，最終導致試件發(fā)生破壞．

3. 2 型鋼再生混凝土柱不同性能水平的失效判別標準

不管是剪切斜壓破壞，還是彎曲破壞，型鋼再生混凝土柱的混凝土被壓碎脫落后，承載力都不會立即下降，這和鋼筋混凝土構件區(qū)別較大．原因是混凝土退出工作后，截面內力還可由型鋼承擔，而鋼材是延性很好的材料，因此型鋼再生混凝土柱的承載力衰減緩慢，表現出良好的延性，在建立其不同性能水平的失效判別標準時需要考慮該特點[6]．判別標準如表3所示．

3.3 型鋼再生混凝土柱不同性能水平的變形容許值

通過對數據進行統(tǒng)計分析[5]，不同破壞形式的型鋼再生混凝土柱在各個性能水平對應的側移角分布比如表4和表5所示．

表3 不同性能水平下型鋼再生混凝土柱的性態(tài)描述及失效判別標準Tab.3 Performance description and failure criteria of different performance levels

表4 剪切斜壓破壞柱對應的側移角分布比Tab.4 Distribution proportion of displacement angle of shear baroclinic destruction

表5 彎曲破壞柱對應的側移角分布比Tab.5 Distribution proportion of displacement angle of bending destruction

盡管所統(tǒng)計型鋼再生混凝土柱構件的設計參數不盡相同，但其側移角在各個性能水平的分布仍然呈現出良好的規(guī)律性．綜上所述，將型鋼混凝土柱正常使用、暫時使用、生命安全及接近倒塌四個性能水平對應的側移角容許值列于表6中．

表6 型鋼再生混凝土柱不同性能水平對應的側移角容許值Tab.6 Limit value of displacement angle of different performance level

4 型鋼再生混凝土框架—填充墻結構的性能指標的量化

性階段，結構喪失大部分剛度和強度，修復已經不可能，以梁端柱端混凝土發(fā)生大面積破碎為接近倒塌極限狀態(tài)．

試驗研究發(fā)現，各試件填充墻體部分均出現了非常明顯的斜向交叉裂縫，大致沿斜向上60°與斜向下60°方向開展，隨著荷載的增加，填充墻的破壞逐漸嚴重，裂縫寬度加大，直至脫落，剪切作用相當明顯．試驗中各梁端及柱底小范圍內出現彎曲裂縫，斜向剪切裂縫出現很少，梁端縱筋最先達到屈服，其次柱中縱筋及型鋼屈服，柱根處型鋼及縱筋屈服時間較晚．框架除填充墻主體外均發(fā)生彎曲破壞，表明梁塑性鉸先于柱出現，符合“梁鉸機制”形成過程，同時填充砌塊強度等級較低，所砌墻體對框架主體柱的約束效應不強，不會出現剪切斜壓破壞．試件的破壞形態(tài)如圖3所示．

4.1 型鋼再生混凝土框架-填充墻結構的破壞形態(tài)

型鋼再生混凝土框架-填充墻結構經歷了填充墻開裂、梁柱開裂、梁柱混凝土壓潰剝落，受壓縱筋和型鋼受壓翼緣屈服，承載力上升至峰值的各個階段，最終框架承載力降低至峰值的85%．為了與上述四個性能水平一致，將該種結構整個受力過程劃分為彈性工作階段、裂縫開展工作階段、彈塑性工作階段以及破壞階段[7]．

對于型鋼再生混凝土框架-填充墻結構，從開始加載到填充墻出現微小裂縫(0.05-0.1 mm)為正常使用階段，但是不會形成貫通斜裂縫，梁柱均未出現損傷，結構從使用和安全角度來看不需要任何修復，結構處于彈性階段，無任何殘留變形；從混凝土梁柱開始出現裂縫到填充墻裂縫貫通為暫時使用階段，此階段是帶裂縫工作階段，破壞在可修范圍內，不影響結構所有基本功能的運行，以梁柱部分受拉縱筋屈服為暫時使用性能極限狀態(tài)，此時殘留變形可以忽略；從梁柱縱筋出現屈服到混凝土脫落，荷載達到峰值作為生命安全階段，此為彈塑性工作階段，此時結構喪失了部分剛度和強度，填充墻體已基本完全破壞，以水平荷載達到峰值為生命安全性能的標志；從結構承載力達到極值持續(xù)到混凝土保護層壓潰嚴重剝落、梁柱端部縱筋箍筋完全裸露且承載力嚴重下降為接近倒塌性能階段，此階段為塑

圖3 破壞形態(tài)Fig.3 Failure modes

4.2 型鋼再生混凝土框架-填充墻結構不同性能水平的失效判別標準

根據試驗現象，將各性能水平下整體結構的現象描述列于表7中．

表7 型鋼再生混凝土框架-填充墻結構性能水平描述Tab.7 Performance level description of SRRC frame structure with infilled wall

4.3 型鋼再生混凝土框架-填充墻結構不同性能水平的容許變形值

整體結構的變形是梁、柱及其節(jié)點變形的綜合結果，因此，前面分析得出的型鋼再生混凝土柱在四個性能水平的側移角限值不能作為型鋼再生混凝土框架-填充墻結構的層間位移角限值．但由于框架的變形能力主要取決于柱的變形能力，故確定型鋼再生混凝土框架-填充墻結構在四個性能水平的層間位移角限值時應考慮型鋼再生混凝土柱的側移角限值．

本文對國內外可查得的型鋼混凝土純框架和鋼筋混凝土框架-填充墻結構[8-10]試驗結果進行了統(tǒng)計分析，試件在初始彈性階段的層間位移角分布范圍為1/2 800～1/5 280，其中1/5 280對應的型鋼再生混凝土柱軸壓比較高，表明增大軸壓比，結構開裂時對應的頂點水平位移減小．大部分試件的彈性階段末期位移角主要處于1/320～1/590范圍內；通過對試驗結果篩查發(fā)現，型鋼混凝土柱底型鋼腹板或受拉鋼筋屈服的層間位移角分布在1/120～1/220的范圍內，其中1/120對應的是所有統(tǒng)計數據中軸壓比最大的試件，表明隨著軸壓比的增大，結構所受P-Δ二階效應更加顯著，使層間位移角有增大的趨勢，不利于結構抗震[11]；所有試件在加載末期臨近破壞階段的層間位移角分布均在1/85附近．綜合以上數據，并考慮型鋼再生混凝土柱的四個性能水平的位移角限值，將型鋼再生混凝土框架-填充墻結構的正常使用、暫時使用、生命安全及接近倒塌四個性能水平對應的側移角容許值列于表8中．

5 結論及建議

(1)填充墻體部分均出現了較為明顯的交叉裂縫，裂縫大致沿墻體角部斜向上60°方向或斜向下60°方向開展，填充墻破壞嚴重，框架梁、柱斜向剪切裂縫較少，均發(fā)生彎曲破壞，柱底型鋼及縱筋屈服時間較晚，柱底晚于梁端形成塑性鉸，符合“梁鉸機制”．

(2)將型鋼再生混凝土-填充墻結構的性能水平劃分為正常使用、暫時使用、生命安全和接近倒塌四個等級，并給出了各個水平的現象描述；

(3)總結了型鋼再生混凝土柱和型鋼再生混凝土框架-填充墻結構在不同性能水平的破壞形態(tài)，提出了四個性能水平對應的失效判別標準和具體參數，建議剪切斜壓破壞的型鋼再生混凝土柱在不同性能水平對應的側移角容許值分別取為：1/325，1/85，1/45，1/40；彎曲破壞的分別取為：1/500，1/160，1/75，1/50；型鋼再生混凝土框架-填充墻結構各自的側移角分別取1/3 000、1/500、1/160和1/85．

(4)由于試驗條件的限制，本文所提出的四個性能水平的容許變形值所對應的試驗樣本還不夠豐富，還需要考慮諸如拉筋間距、填充墻砌塊強度等影響因素；并應通過數值模擬的方式，將試驗結果與其對應起來，從理論推導上建立該種結構容許變形值的計算公式；同時，筆者論述的型鋼再生混凝土結構僅僅針對框架，局限性較強，仍需要進行型鋼再生混凝土剪力墻及其他結構的試驗研究與理論推導，從而全面的為型鋼再生混凝土結構性態(tài)水平設計提供理論標準，應用于實際工程當中．

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